星空下的FAST

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来自太空的无线电信号极其微弱，为了获得更多宇宙天体的无线电信号，需要尽可能大口径的射电望远镜。但是由于重力和风力等因素引起形变的限制，传统的可跟踪式望远镜最大口径只能做到100米左右。

在1993年的国际无线电科学联盟大会上，包括中国在内的10国天文学家提出陆建造新一代射电“大望远镜”的倡议。1995年底，以中国科学院北京天文台（现国家天文台）牵头，国内20余所大学和研究所成立了射电“大望远镜”中国推进委员会，提出了利用中国贵州的喀斯特洼地，建造固定式球反射面天线的“喀斯特工程”概念。

借鉴国外大射电望远镜的经验，并吸收当今世界各种先进的望远镜技术，中国天文学家为进一步推进了“喀斯特概念”，提出独立建造世界最大的单口径射电望远镜——500米口径球面射电天文望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope， fast）。FAST台址最终确定在贵州省黔南州平塘县克度镇绿水村的“大窝凼”洼地。FAST工程的预研究历时13年，由国家天文台主持，国内20余个研究所和大学的百余名科研人员参与了此项工作。

和同类大口径射电望远镜相比，FAST的独到之处在于：①利用贵州省境内喀斯特地貌中的天然洼坑作为台址；②洼坑内铺设数千块单元，构成500米球冠状主动反射面，球冠反射面在射电电源方向形成300米口径瞬时抛物面，使望远镜接收机能与传统抛物面天线一样处在焦点上；③采用轻型索拖动机构和并联机器人，实现接收机的高精度定位。

携全新设计思路加得天独厚的台址优势，FAST突破了射电望远镜的百米极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。它将拥有30个足球场大的接收面积，成为国际上最大的单口径望远镜。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比，灵敏度提高约10倍；与被评为20世纪十大工程之首的美国阿雷西博300米射电望远镜相比，其综合性能提高约10倍。作为世界最大的单口径望远镜，FAST有望在未来20年～30年保持世界一流设备的地位。

FAST具有极其重大的科学意义。它的研究涵盖广泛的天文学内容，从宇宙初始混浊、暗物质暗能量与大尺度结构，星系与银河系的演化，恒星类天体，到太阳系行星与邻近空间事件等的观测研究，它都具有非此莫属的竞争力。FAST拟回答的科学问题不仅是天文的，也是面对人类与自然的，它潜在的科学产出也许我们今天还难以预测：

巡视宇宙中的中性氢，研究宇宙大尺度物理学，以探索宇宙起源和演化；观测脉冲星，研究极端状态下的物质结构与物理规律；主导国际甚长基线干涉测量网，获得天体超精细结构；探测星际分子，探索太空生命起源；搜索星际通讯信号，寻找地外文明。

FAST在国家重大需求方面有重要应用价值。它可将我国空间测控能力由月球同步轨道延伸至太阳系外缘，将深空通讯数据下行速率提高几十倍。脉冲星到达时间测量精度由目前的120纳秒提高至30纳秒，成为国际上最精确的脉冲星计时阵，为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟。进行高分辨率微波巡视，以1赫兹的分辨率诊断识别微弱的空间讯号。可作为国家重大科学工程“东半球空间环境地基综合检测子午链（子午工程）”的非相干散射雷达接收系统，提供高分辨率和观测效率；跟踪探测日冕物质抛射事件，服务于空间天气预报。

FAST工程的主要建设目标，在贵州喀斯特洼地内铺设口径为500米的球冠形主动反射面，通过主动控制在观测方向形成300米口径瞬时抛物面；采用光机电一体化的索支撑轻型馈源平台，加之馈源舱内的二次调整装置，在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下，实现高精度的指向跟踪；在馈源舱内配置覆盖频率70MHz～3GHz的多波段、多波束馈源和接收机系统；针对FAST科学目标发展不同用途的终端设备；建造一流的天文观测站。

为了实现这一建设目标，需要完成以下六项主要的建设内容。①台址勘察与开挖：勘察台址工程地质和水文地质条件，开挖清理洼地，使其满足望远镜建设的需要。②主动反射面：建设上万根钢索和数千个反射单元组成的球冠型索膜结构，口径～500米，球冠张角110°～120°，变形抛物面的均方差为5毫米。③馈源支撑系统：建设公里尺度的钢索支撑体系，在馈源舱内安装并联机器人用于二级调整，最终调整定位精度为10毫米。④测量与控制：建设洼地中基准网和基准站，激光全站仪和近景测量系统，百米距离测量精度2毫米。采用现场总线技术实现数千点自动控制。⑤馈源与接收机：研制高性能的多波束馈源接收机，频率覆盖70MHz～3GHz。研制馈源、低噪声致冷放大器、宽频带数字中频传输设备、高稳定度的时钟和高精度的频率标准设备等，并配置多用途数字天文终端设备。⑥观测基地建设：建立望远镜观测室、终端设备室、数据处理中心、各关键技术实验室，以及办公楼和综合服务体系等。

2007年7月10日，国家发改委原则同意将FAST项目列入国家高技术产业发展项目计划，FAST项目正式立项。在2011年3月25日，FAST工程正式开工建设。

FAST工程自正式开工建设以来，各系统陆续进入实施阶段。首先是台址勘察与开挖系统，在参建各方的共同努力下，到2012年12月，历时近两年的FAST台址开挖与边坡治理工程通过验收。2013年12月，FAST圈梁工程顺利合拢。

与此同时，邀请国内外专家学者交流访问，组织多次评审会和研讨会，积极为工程施工设计提供技术输入。其它工艺系统在反射面单元、促动器、望远镜总控与基础测量、19波束接收机研制和电磁兼容保护等方面的优化设计也取得了阶段性进展。为使FAST有尽可能大的科学产出，科学部成员在恒星形成、脉冲星研究、星系中的星系介质等方向上已取得了一系列预研究成果。

有了FAST，边远闭塞的黔南喀斯特山区将变成世人瞩目的国际天文学术中心，成为把贵州展现给世界的新窗口。以FAST为主体的天文科普基地将推进我国西部甚至全国的科普工作，教育青少年，向公众与决策层进行宣传，为科教兴国的长远战略目标服务。